摘要

通過人工光合系統(tǒng)和生物啟發(fā)光合系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)物質(zhì)，對幫助解決當(dāng)前的全球能源和環(huán)境問題具有極大的意義。我們開發(fā)了一種生物無機(jī)混合系統(tǒng)，通過結(jié)合光收集半導(dǎo)體、氫化酶催化和整個細(xì)菌細(xì)胞的自聚集，在有氧條件下進(jìn)行光催化制氫。我們利用表面-顯示系統(tǒng)在原位生物合成生物相容性硫化鎘納米粒子，誘導(dǎo)原本設(shè)計用于生物修復(fù)的大腸桿菌細(xì)胞通過自我光合成產(chǎn)生氫氣。我們還在工程大腸桿菌細(xì)胞中引入了仿生二氧化硅封裝策略，使這一混合系統(tǒng)即使在自然有氧條件下也能連續(xù)96小時產(chǎn)生氫氣。這種生物混合催化方法可作為太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)產(chǎn)品的通用策略。

引言

化石燃料的過度消耗造成了許多嚴(yán)重的環(huán)境問題，如溫室效應(yīng)、全球氣候變化、酸雨和臭氧層破壞等，這些問題可能會極大地制約人類的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展。要解決這些全球性問題，利用可再生清潔能源是非常可取的。太陽能是地球上最重要的可再生能源，但很難利用。因此，亟需制定戰(zhàn)略，利用光合作用捕獲太陽能的效率，實現(xiàn)氫氣或其他燃料等化學(xué)品的可持續(xù)生產(chǎn)。以氫氣生產(chǎn)為例，在過去二十年中，已經(jīng)開發(fā)出幾種創(chuàng)新的無機(jī)-生物混合系統(tǒng)，它們結(jié)合了光系統(tǒng)I或半導(dǎo)體的光收集能力和氫化酶或金屬催化劑的催化能力。其中，King及其同事利用碲化鎘(CdTe)納米晶體/硫化鎘(CdS)納米棒和從乙酰丁酸梭菌(Clostridium acetobutylicum)中提純的[Fe-Fe]氫化酶，開發(fā)了一系列高效的生物混合制氫系統(tǒng)。然而，由于這些反應(yīng)對氧敏感、分離氫化酶的產(chǎn)量低以及貴金屬的高成本，這些生物無機(jī)雜化系統(tǒng)光催化產(chǎn)生H2的效率有待進(jìn)一步提高。

整個細(xì)菌細(xì)胞已被用作生產(chǎn)H2的生物雜化催化劑，以克服生物無機(jī)雜化系統(tǒng)中酶和合成催化劑的局限性。利用這種方法，一些研究小組通過將二氧化鈦(TiO2)半導(dǎo)體與野生型細(xì)菌細(xì)胞雜交來生產(chǎn)H2。最近，Honda等人報告的一項重大突破表明，表達(dá)氫化酶和成熟酶基因的重組大腸桿菌細(xì)胞能夠利用TiO2全細(xì)胞光催化產(chǎn)生H2。然而，半導(dǎo)體的生物相容性低和氫化酶的不耐氧性限制了這種全細(xì)胞系統(tǒng)在實際H2生產(chǎn)中的應(yīng)用。

研究人員一直在努力優(yōu)化混合系統(tǒng)，以保護(hù)催化活性免受氧應(yīng)力的影響，從而克服這些限制。值得注意的是，Douglas等人報道了一種用于生產(chǎn)H2的智能自組裝生物分子催化劑，該催化劑利用噬菌體P22外殼蛋白來封裝和保護(hù)耐氧的[NiFe]氫化酶。同時，受仿生礦化的啟發(fā)，Tang等人開發(fā)了一種強(qiáng)大的硅化誘導(dǎo)綠藻系統(tǒng)，用于在有氧條件下可持續(xù)地生產(chǎn)光生物H2。受這些開創(chuàng)性研究的啟發(fā)，我們建議開發(fā)一種理想的全細(xì)胞光催化制氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含以下組成部分：(i)生物兼容的光收集無機(jī)半導(dǎo)體，(ii)作為生物催化劑的活性工程大腸桿菌細(xì)胞，(iii)保護(hù)反應(yīng)不受氧氣影響的可靠外殼。在此，我們旨在開發(fā)工程大腸桿菌細(xì)胞，將CdS納米粒子的生物合成能力與表面顯示的重金屬結(jié)合蛋白和耐氧型[NiFe]氫化酶的生物催化結(jié)合起來。結(jié)合整個大腸桿菌細(xì)胞的仿生硅封裝，生物無機(jī)混合系統(tǒng)實現(xiàn)了有氧條件下的光催化制氫(圖1)。

圖1光驅(qū)動空氣制氫的表面顯示生物混合方法。

材料與方法

氫化酶的體內(nèi)表達(dá)

用表達(dá)質(zhì)粒pET28a/HyaABCDEF轉(zhuǎn)化的大腸桿菌BL21在添加卡那霉素(50微克/毫升)的LB培養(yǎng)基中培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為37℃。當(dāng)600納米波長處的光密度(OD600)達(dá)到0.6時，將培養(yǎng)物轉(zhuǎn)移到含有95%N2和5%H2氣體的Coy厭氧室(Coy Laboratory Products Inc.)。在厭氧生長期間，培養(yǎng)物在LB培養(yǎng)基(所有v/v均為1:1000)中補(bǔ)充含有1mM IPTG、1mM(NH4)2Fe(SO4)2和1mM NiCl2的無菌溶液。培養(yǎng)物在室溫厭氧條件下攪拌培養(yǎng)12小時。

PbrR蛋白的表面展示和CdS納米粒子的原位合成

OmpA表達(dá)質(zhì)粒的構(gòu)建和過表達(dá)OmpA-PbrR融合蛋白的方法由Zhao等人先前描述。然后，每隔6小時從LB培養(yǎng)基中離心(4000rpm，10分鐘)一次，收獲樣品細(xì)胞，并在分析前用100mM NaCl溶液洗滌至少三次。每個樣品中的細(xì)胞數(shù)量是通過監(jiān)測OD600確定的。將吸附了CdS的細(xì)胞凍干并進(jìn)行濕灰化。使用ICP-MS對所有樣品進(jìn)行進(jìn)一步分析，以測量工程大腸桿菌細(xì)胞表面生物合成的CdS納米粒子的數(shù)量。誘導(dǎo)12小時后，收獲含有生物合成的CdS納米粒子的大腸桿菌細(xì)胞，用于隨后的生物產(chǎn)氫分析，以保持最佳活性。

CdS納米粒子的TEM-EDX分析

所有TEM圖像均使用JEOL JEM-2100電子顯微鏡在200kV的加速偏置電壓下記錄。鎘離子吸附后，將工程電池分散在加倍蒸餾的H2O中。將銅網(wǎng)格上的厚碳膜(20至30nm)浸入溶液中1秒鐘，在大氣條件下烘干，然后用TEM進(jìn)行檢測。元素分析是通過與顯微鏡相連的EDX系統(tǒng)進(jìn)行的。

生物沉淀CdS納米粒子的特征

光催化MV2+還原試驗使用帶蓋的10毫米石英比色皿和光源(350瓦Xe燈)進(jìn)行。通過離心(4000rpm，10分鐘)從LB培養(yǎng)基中收獲含有生物合成的CdS納米粒子的大腸桿菌細(xì)胞。反應(yīng)體系包括石英比色皿中相同數(shù)量的不同半導(dǎo)體[TiO2銳鈦礦和合成的游離CdS納米顆粒]和3毫升100mM tris-HCl(pH7)、150mM NaCl、5%甘油、100mM抗壞血酸和5mM MV2+。向溶液中通入N2氣泡30分鐘，以除去O2。光照射啟動反應(yīng)，離心并從MV緩沖液中分離出大腸桿菌CdS納米粒子后停止反應(yīng)。離心(1000g，1分鐘)后立即測量吸收光譜。通過監(jiān)測OD605，使用摩爾轉(zhuǎn)換系數(shù)e=1.3×104M-1cm-1計算所形成的還原MV2+(MV+)的量。還獲得了溶液中大腸桿菌-CdS雜化物的紫外-可見光譜。光激發(fā)CdS的導(dǎo)帶能是利用奈氏方程確定的。